Prévention des risques et vulnérabilité des enjeux: les constructions parasismiques

Niveau : cycle 4, classe de quatrième.

Matériel : maquette "résonance", fiche d'activité à compléter

- classe de quatrième: partie L'activité interne du globe

La prévision de l'aléa sismique à court terme n'est pas possible, il faut s'appuyer sur la prévention en limitant la vulnérabilité des biens et des personnes avant un séisme et cibler les comportements à tenir pendant et après un séisme.

Capacités et attitudes déclinées dans une situation d'apprentissage :

Faire émerger des solutions pour se prémunir du risque sismique. Exploiter des textes, photos, vidéos, maquettes afin de montrer la prise en compte du risque par l'Homme. Recenser et organiser des informations pour prévenir les risques pour les populations et les constructions. Développer la responsabilité individuelle et collective face à l'environnement.

Exemples d'éléments du Socle commun pouvant être concernés :

Compétence 3 :

Acquis :

Ce qui est frappant, lors d'un séisme destructeur, ce sont les bâtiments pratiquement "intacts" qui côtoient ceux totalement détruits.

Pourquoi une telle différence pour un même séisme?

Les hypothèses souvent formulées sont :

Elle est composée d'un support en bois sur lequel sont fixées quatre tiges en acier de 30, 45, 60 et 80 cm.

Au sommet de chaque tige, une masse (un pied de lit ici...) est solidement fixée (ici soudée).

La maquette représente quatre bâtiments sur un même support. La seule variable est donc la hauteur de ces bâtiments.

Simulons des séismes de nature différente, en particulier avec leur fréquence de vibrations (le nombre de vibrations par seconde).

Vidéo de la simulation d'un séisme de faible fréquence par un élève 1: http://www.youtube.com/watch?v=OfnuHbFI9hg

          Résultat : la plus haute des quatre colonnes entre en vibration.

Vidéo de la simulation d'un séisme de fréquence élevée par un élève 2: http://www.youtube.com/watch?v=nXmH0OyahoY

          Résultat : la plus petite des quatre colonnes entre en vibration.

Vidéo de la simulation d'un séisme de fréquence intermédiaire par un élève 3: http://www.youtube.com/watch?v=AaR5AdARxLY

          Résultat : les colonnes de hauteurs intermédiaires entrent en vibration.

Recapitulons sommairement... : une fréquence élevée fait trembler un petit bâtiment, alors qu'une faible fréquence fait osciller un grand bâtiment.

...et creusons un peu... : il a fallu plusieurs essais à l'élève 1, par exemple, pour faire vibrer la plus haute des colonnes, c'est-à-dire trouver la fréquence adaptée pour la faire tanguer : un peu plus lente et elle reste immobile, un peu trop vite et il adopte la fréquence de l'élève 3 qui fait osciller les colonnes intermédiaires.

L'élève 1 a donc trouvé la fréquence propre à ce bâtiment, celle qui le fait trembler : la fréquence du support qui vibre est la même que sa fréquence propre.

Si on regarde de nouveau la vidéo, ce qui frappe, c'est que l'amplitude des vibrations du bâtiment est deux fois plus importante que celle du support que l'élève 1 fait osciller : c'est le phénomène de RESONANCE : un objet à qui on communique une vibration de même fréquence que sa fréquence propre amplifie la vibration.

En conclusion :

- plus un bâtiment est grand, plus sa fréquence propre diminue, donc il entre en résonance pour des fréquences plus faibles ;
- plus un bâtiment est petit, plus sa fréquence propre augmente, donc il entre en résonance pour des fréquences plus élevées.

Donc il suffit de construire des bâtiments dont la fréquence propre ne correspond pas à celle des ondes sismiques...

... mais ce n'est pas si simple, en particulier parce que la gamme de fréquences des ondes sismiques recouvre celle des bâtiments actuels.

Ainsi, dans une région donnée, les bâtiments parasismiques doivent avoir une fréquence propre qui ne correspond pas à celle des ondes sismiques les plus fréquentes pour limiter la vulnérabilité des biens et des personnes avant un séisme.

Remarques complémentaires et mise en œuvre possible :

Cette notion du programme peut être l'occasion de réaliser une activité en tâche complexe avec divers ateliers permettant à l'élève de réfléchir sur la notion de prévention sismique.

Situation problème:

Suite au séisme dévastateur du 12 janvier 2010, le président d'Haïti fait appel à vous en tant que géologue expert à propos de la reconstruction du palais présidentiel dans la capitale Port-au-Prince. Quelles préconisations pouvez-vous faire?

Travail en mosaïque sur différents ateliers par groupes d'élèves (proposition) :

• maquette résonance,
• étude d'une séquences de rupture de failles et lacunes sismiques,
• étude de documents sur l'effet de site:

Il peut alors être demandé un compte-rendu des différents ateliers à présenter au Président (en l'occurrence le professeur..!) et, dans le cadre du socle, valider des items de la Compétence 4: Domaine 3: Créer, traiter, exploiter des données (C.3.3. par exemple: Je sais regrouper dans un même document plusieurs éléments), Domaine 5: Communiquer, échanger (C.5.3. par exemple: je sais envoyer ou publier un message avec un fichier joint).

La tâche complexe